交會(huì)對(duì)接敏感器總體設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

李 彬，任 餛

(北京控制工程研究所，北京100190)

交會(huì)對(duì)接敏感器總體設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

李 彬，任 餛

(北京控制工程研究所，北京100190)

相對(duì)測(cè)量技術(shù)是完成在軌航天器交會(huì)對(duì)接的重要技術(shù)之一，設(shè)計(jì)能夠完成相對(duì)位置、速度，以及近距離的相對(duì)角度、角速度測(cè)量的交會(huì)對(duì)接敏感器，用于確定交會(huì)的軌跡和控制對(duì)接時(shí)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不僅要考慮實(shí)現(xiàn)功能、性能方面，還要考慮在工程實(shí)現(xiàn)中外太空雜光干擾、熱環(huán)境等因素的影響.本文不涉及到交會(huì)敏感器的具體設(shè)計(jì)，而是從分系統(tǒng)的任務(wù)和技術(shù)總體設(shè)計(jì)角度，總結(jié)交會(huì)對(duì)接敏感器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)方面.

相對(duì)測(cè)量;交會(huì)對(duì)接敏感器;GNC分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

航天器的敏感器配備與任務(wù)密切相關(guān)，一般航天器的在軌任務(wù)有對(duì)地、對(duì)慣性空間穩(wěn)定等模式，需要測(cè)量敏感器具備測(cè)量航天器本體與星空(星敏感器)、地球(地球敏感器)、太陽(yáng)(太陽(yáng)敏感器)、慣性空間(慣性敏感器)等相對(duì)關(guān)系的能力，具備這種能力的敏感器稱為絕對(duì)敏感器(相對(duì)于交會(huì)測(cè)量敏感器而言)，部分絕對(duì)敏感器可對(duì)相對(duì)測(cè)量提供輔助作用.

交會(huì)敏感器主要用來(lái)完成兩個(gè)航天器的相對(duì)位置、速度測(cè)量，在近距離時(shí)還需要完成相對(duì)角度和角速度的測(cè)量，其工作原理涉及光學(xué)、電波(微波)測(cè)量和GPS等技術(shù)領(lǐng)域.

1 交會(huì)敏感器的使用概況

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的工程實(shí)施情況，交會(huì)敏感器一般有電波雷達(dá)(微波雷達(dá))、激光雷達(dá)、GPS測(cè)量、視頻測(cè)量、光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡等等.電波雷達(dá)(微波雷達(dá))具有測(cè)量距離遠(yuǎn)(百公里量級(jí))的優(yōu)勢(shì)，因此各國(guó)在早期的交會(huì)對(duì)接任務(wù)中，一般均將電波雷達(dá)(微波雷達(dá))作為遠(yuǎn)距離至較遠(yuǎn)距離(幾百千米至幾十米)的重要測(cè)量敏感器，俄羅斯是較早采用電波雷達(dá)(微波雷達(dá))完成交會(huì)測(cè)量，且技術(shù)較成熟的國(guó)家之一，美國(guó)在早期也將電波雷達(dá)(微波雷達(dá))作為遠(yuǎn)程測(cè)量的手段.20世紀(jì)80年代，歐空局也開始發(fā)展空間交會(huì)雷達(dá)技術(shù).

隨著GPS技術(shù)的發(fā)展與成熟，歐空局和日本逐漸采用GPS技術(shù)用于百米量級(jí)以遠(yuǎn)的相對(duì)測(cè)量，差分GPS技術(shù)的發(fā)展成熟使其精度可達(dá)到厘米量級(jí)，因此也逐漸地應(yīng)用于距離更近的范圍，在近距離范圍內(nèi)，差分GPS技術(shù)也可作為近距離測(cè)量敏感器的備份手段.在中遠(yuǎn)距離，使用差分GPS技術(shù)作為主份產(chǎn)品，歐空局采用電波雷達(dá)(微波雷達(dá))，日本采用絕對(duì)GPS和地面引導(dǎo)作為備份手段.

由于激光器的限制，激光雷達(dá)測(cè)量距離受到較大限制(十公里量級(jí))，但激光雷達(dá)(含激光測(cè)距)具有波束窄、測(cè)量精度高等突出特點(diǎn)，常作為中近距離測(cè)量的手段之一.

在近距離(逼近段，0～百米)，因?yàn)樾枰瑫r(shí)提供相對(duì)位置、速度、角度、角速度六自由度的測(cè)量信息，一般采用光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡(航天員判斷)、CCD攝像機(jī)等視頻測(cè)量設(shè)備，用激光雷達(dá)或者其他測(cè)量手段作為備份.

為了充分發(fā)揮各種敏感器的優(yōu)點(diǎn)，并提高備份冗余手段，國(guó)內(nèi)外的交會(huì)敏感器在使用上一般采用分段式策略.在遠(yuǎn)距離可選用的敏感器有GPS絕對(duì)測(cè)量和電波雷達(dá)(微波雷達(dá));中距離可選擇激光雷達(dá)、差分GPS、電波雷達(dá)(微波雷達(dá));近距離采用視頻敏感器、激光雷達(dá)、差分GPS技術(shù)等.

2 交會(huì)對(duì)接任務(wù)對(duì)敏感器的要求

在交會(huì)對(duì)接敏感器的設(shè)計(jì)中，除了考慮功能、性能指標(biāo)，以及若干可靠性的措施以外，還應(yīng)當(dāng)充分考慮任務(wù)的特殊性，分析對(duì)敏感器的要求.

主要有以下幾個(gè)方面:

(1)能夠適應(yīng)真空和太空的熱(陽(yáng)照區(qū)、陰影區(qū))條件

交會(huì)敏感器用來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)航天器的相對(duì)關(guān)系，因此一般安裝在艙外能夠相互可通視的范圍內(nèi)，艙外設(shè)備的熱條件一般較艙內(nèi)惡劣，溫度交變頻繁(近地軌道1～2小時(shí)一次循環(huán))，交會(huì)敏感器一般都具有較大的直接面向太空航天器的測(cè)量敏感口，這些接口直接面對(duì)陽(yáng)照區(qū)太陽(yáng)的加熱和陰影區(qū)4K的冷空間，對(duì)其溫度耐受度和溫度控制措施要求較高，另外，太空的真空環(huán)境要求設(shè)備對(duì)真空設(shè)備不敏感;

(2)能夠適應(yīng)太陽(yáng)在不同方位照射條件

航天器在軌交會(huì)可能在陰影區(qū)或者陽(yáng)照區(qū)來(lái)完成.太陽(yáng)光光譜覆蓋面寬(從無(wú)線電波段到遠(yuǎn)紫外譜段)、功率強(qiáng)(＞1400W/m2)，是外太空的主要影響因素之一，主要通過(guò)強(qiáng)雜光、目標(biāo)反射、電磁干擾等途徑對(duì)基于光學(xué)和電磁工作原理的敏感器產(chǎn)生影響，另外，陽(yáng)光進(jìn)入光學(xué)敏感器的視場(chǎng)后，由于其功率極強(qiáng)，一般將導(dǎo)致敏感器工作失效，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成敏感器損傷，因此，對(duì)基于光學(xué)的交會(huì)敏感器應(yīng)考慮采用遮光罩等措施，抑制陽(yáng)光的影響，同時(shí)提出陽(yáng)光抑制角約束交會(huì)軌道的設(shè)計(jì)，必要時(shí)還需要特殊設(shè)計(jì)以提高敏感器件對(duì)陽(yáng)光直射的耐受能力.

另外，外太空陽(yáng)光照射還容易造成材料的變性，表面特性發(fā)生變化，從而影響基于光學(xué)成像測(cè)量的視頻敏感器的捕獲、測(cè)量等功能.

(3)能夠提供滿足精度要求的靜動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)

這是測(cè)量敏感器的基本要求，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮和分析工作機(jī)理，分析誤差環(huán)節(jié)和造成誤差的原因，分離主要誤差源，并采取措施抑制，以使敏感器的性能滿足要求.

(4)能夠提供滿足要求的數(shù)據(jù)更新率(頻帶)

測(cè)量敏感器的數(shù)據(jù)更新率主要約束敏感器的帶寬.測(cè)量敏感器的頻帶與系統(tǒng)的控制周期、使用方法，以及航天器的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)特性密切相關(guān)，帶寬選擇過(guò)寬會(huì)帶來(lái)較大的測(cè)量噪聲，太窄則會(huì)影響對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的測(cè)量，因此，確定測(cè)量敏感器具有合適的頻帶至關(guān)重要.數(shù)據(jù)更新率指的是含有當(dāng)前測(cè)量信息的數(shù)據(jù)更新，不僅僅是通訊的頻率.

(5)在近距離可能存在遮擋等視場(chǎng)問(wèn)題

對(duì)于激光雷達(dá)和視頻敏感器，合作目標(biāo)能夠全部在視場(chǎng)內(nèi)不被遮擋，否則可能會(huì)造成測(cè)量功能的喪失或者性能下降，對(duì)于基于相位法測(cè)量的電波雷達(dá)(微波雷達(dá))，還要求在視場(chǎng)內(nèi)不存在影響微波傳輸?shù)奈矬w(一般指金屬物)，否則會(huì)產(chǎn)生多徑效應(yīng)，電波雷達(dá)(微波雷達(dá))在此情況下的測(cè)量數(shù)據(jù)基本不可信.

(6)測(cè)量切換

由于激光、微波的功率強(qiáng)度等隨著距離的變化而迅速變化，一般的敏感器難以適應(yīng)如此之大的動(dòng)態(tài)范圍，一般采取隨著距離不同而切換不同功率進(jìn)行測(cè)量的方法.切換的條件一般由功率變化決定，也有的將功率變化轉(zhuǎn)化為距離變化，在不同距離使用不同的功率，在測(cè)試中，切換的合理性和有效性也是必須驗(yàn)證的內(nèi)容之一.

(7)可能的長(zhǎng)壽命要求

長(zhǎng)壽命的要求首先針對(duì)敏感器的合作目標(biāo).合作目標(biāo)安裝在對(duì)接的目標(biāo)航天器上，而目標(biāo)航天器的壽命一般在10年左右，因此，合作目標(biāo)必須考慮長(zhǎng)壽命在軌運(yùn)行問(wèn)題.對(duì)于安裝在追蹤器上的雷達(dá)，視在軌時(shí)間長(zhǎng)度、對(duì)接次數(shù)、對(duì)接間隔、有無(wú)在軌更換能力等因素確定壽命要求.

3 交會(huì)對(duì)接敏感器的工作體制

本節(jié)簡(jiǎn)要介紹敏感器的工作體制和工作機(jī)理.由于GPS的原理和應(yīng)用介紹較多，本節(jié)略去，光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡采用人員觀察的方法，也不再多加說(shuō)明.

3.1 電波雷達(dá)(微波雷達(dá))

電波雷達(dá)(微波雷達(dá))從工作方式上分，有主動(dòng)式交會(huì)雷達(dá)(如美國(guó)Motorola公司的X波段脈沖多普勒雷達(dá))、主動(dòng)與應(yīng)答合作復(fù)合式(如美國(guó)航天飛機(jī)使用的Ku波段雷達(dá))、應(yīng)答合作式(如 Apollo飛船的X波段雷達(dá)、蘇聯(lián)/俄羅斯使用的KYPC系統(tǒng))等;從測(cè)量方式上看，有比幅單脈沖測(cè)角、順序波瓣法測(cè)角和相位法測(cè)角等.相位法測(cè)角方式可以不用采用隨動(dòng)系統(tǒng)(如歐空局的S波段交會(huì)雷達(dá))[1]，可以減輕重量和功耗，提高在軌工作可靠性.另外，有的電波雷達(dá)(微波雷達(dá))還兼有通訊功能.

3.1.1 距離的測(cè)量

電波雷達(dá)(微波雷達(dá))距離的測(cè)量一般都通過(guò)對(duì)有控制的回波信號(hào)與確定的時(shí)間基準(zhǔn)進(jìn)行比較，計(jì)算無(wú)線電波的傳輸時(shí)間延遲Δt，與其傳輸速度的乘積求得相對(duì)距離.

式中，c為無(wú)線電在真空中(航天器在軌運(yùn)行)的傳輸速度;Δt為無(wú)線電波傳輸一個(gè)來(lái)回的時(shí)間延遲.

如果采用合作方式，則要考慮Δt中包括了前向傳輸時(shí)間 Δt1、合作目標(biāo)的響應(yīng)時(shí)間 Δt2、合作目標(biāo)發(fā)出的無(wú)線電波后向傳輸時(shí)間Δt3，因此，實(shí)際的相對(duì)距離為:根據(jù)雷達(dá)距離方程，設(shè)雷達(dá)發(fā)射功率為 Pt(W)，若雷達(dá)以方向性為功率增益Gt的天線輻射能量，則在距離R處的天線波束內(nèi)的功率密度為

可以看出，對(duì)于給定發(fā)射功率和功率增益的天線，天線波束內(nèi)的功率密度與距離的平方成反比，如果是非合作測(cè)量，假定在距離R處存在一個(gè)等效面積為σ的反射目標(biāo)，在雷達(dá)處被等效面積為的天線接收，則天線接收到的電磁波能量為:

可以看出，對(duì)于非合作的測(cè)量雷達(dá)，接收到的雷達(dá)能量與距離的4次方成反比.

對(duì)于合作測(cè)量，一般采用合作應(yīng)答機(jī)跟蹤并鎖定雷達(dá)的頻率(或者還有編碼)，再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的方式，這樣，在雷達(dá)接收處接收到的能量變?yōu)?

式中，Pb、Gb分別是應(yīng)答機(jī)天線的發(fā)射功率和功率增益.

因此，在采用電波雷達(dá)(微波雷達(dá))進(jìn)行距離測(cè)量時(shí)，在同樣的雷達(dá)發(fā)射功率、天線增益的情況下，合作方式比非合作方式有更遠(yuǎn)的測(cè)量距離.

3.1.2 速度的測(cè)量

距離的微分就是速度，因此通過(guò)對(duì)距離的微分可以提供速度信息，但是，由于存在著測(cè)量噪聲，因此在較高動(dòng)態(tài)的情況下，通過(guò)距離微分得到的速度精度很低，經(jīng)過(guò)微分環(huán)節(jié)放大后測(cè)量噪聲更大，沒(méi)有實(shí)用價(jià)值，對(duì)于電波雷達(dá)(微波雷達(dá))，一般通過(guò)多普勒測(cè)速，可以提供更高精度、也更穩(wěn)定的相對(duì)速度.

為了兼顧距離和速度的測(cè)量，電波雷達(dá)(微波雷達(dá))一般采用調(diào)頻法(三角波調(diào)制、正弦波調(diào)制)、脈沖法(相干脈沖、非相干、側(cè)音調(diào)制)、脈沖壓縮法(線性調(diào)頻、相位編碼)等方法.

無(wú)論采用何種調(diào)制方法，在電波雷達(dá)(微波雷達(dá))的解算中，首先需要跟蹤和鎖定跟蹤的頻率(或者相位，必要時(shí)還有碼位，根據(jù)調(diào)制方法不同而不同)，并將鎖定的相關(guān)參數(shù)與發(fā)送的頻率、相位、碼位進(jìn)行比較和計(jì)算，提取時(shí)間延遲和頻率偏移，得到距離和速度，當(dāng)然，還必須要考慮到鎖相、濾波、數(shù)據(jù)融合等具體技術(shù)，本文不再贅述.

3.1.3 角度的測(cè)量

角度測(cè)量的方法有相位法、振幅法、比幅單脈沖法等.

相位法測(cè)角也稱作干涉儀測(cè)角，它是利用兩個(gè)或者多個(gè)天線所接收到的回波相位差進(jìn)行測(cè)角.

圖1 角度測(cè)量示意圖

如圖1所示，假設(shè)兩個(gè)天線 A1、A2的間距為 d，在方向遠(yuǎn)處有一目標(biāo)，由于程差而存在相位差，則有:ΔR=c，

根據(jù)相位差就可以計(jì)算出角度.

在實(shí)際工程中，如何選擇天線d的基線長(zhǎng)度和天線的個(gè)數(shù)需要認(rèn)真考慮測(cè)量范圍和測(cè)量精度而確定，一般采用多個(gè)天線，組成多個(gè)基線，既能保證視場(chǎng)，也能滿足測(cè)量精度.

振幅法測(cè)角通常使用伺服機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)接收天線尋找到回波的幅值最大處(即信號(hào)中心)，從而確定目標(biāo)的角度，并控制伺服系統(tǒng)跟蹤，根據(jù)伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度得到測(cè)量角度.

比幅單脈沖法測(cè)角通常通過(guò)接收天線網(wǎng)絡(luò)(至少4個(gè)天線組成)的和、差網(wǎng)絡(luò)，得到和信號(hào)與差信號(hào)，根據(jù)二者的關(guān)系，確定目標(biāo)角度，并控制伺服系統(tǒng)跟蹤，根據(jù)伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度得到測(cè)量角度..

基于相位法測(cè)角一般不需要天線的轉(zhuǎn)動(dòng)，即不需要伺服系統(tǒng)即可完成測(cè)量.

3.2 激光雷達(dá)

激光雷達(dá)由于工作波長(zhǎng)較短，單色性好，相干性好，在理論上比電波雷達(dá)(微波雷達(dá))有更高的分辨率(測(cè)量精度)，另外，由于激光的波束窄，因此具有較強(qiáng)的抗干擾能力.

3.2.1 激光器

激光器有固體激光器、氣體激光器(如氦氖激光器)、半導(dǎo)體激光器(特點(diǎn)是體積小、重量輕、抗震性強(qiáng)等，如半導(dǎo)體泵浦激光器)等種類.

激光雷達(dá)對(duì)激光器生成的激光光束的要求是波束窄(能量集中且指向性好)、波面光強(qiáng)均勻(回波穩(wěn)定)、功率滿足測(cè)距要求、切換響應(yīng)迅速等，對(duì)于采用調(diào)制測(cè)量的激光雷達(dá)，還需要激光具備單色性好、頻率穩(wěn)定度高等特點(diǎn).

激光雷達(dá)在太空中工作時(shí)，不可避免地要受到太空中陽(yáng)光及目標(biāo)器反射光的影響，因此在光譜的選擇上，應(yīng)選擇陽(yáng)光能力相對(duì)較弱的譜段，同時(shí)采用帶通濾光片，抑制通帶外的陽(yáng)光和發(fā)射光能量.另外，在控制波束寬度的前提下，縮小接收窗口，減小陽(yáng)光及反射光的影響區(qū)域，防止陽(yáng)光或者強(qiáng)發(fā)射光進(jìn)入激光雷達(dá)視場(chǎng).

由于激光的波長(zhǎng)極短，基于電波雷達(dá)(微波雷達(dá))原理的相位法測(cè)量實(shí)現(xiàn)較困難，因此一般通過(guò)對(duì)激光采用振幅、強(qiáng)度、相位或頻率調(diào)制等方法來(lái)調(diào)整測(cè)量范圍，降低實(shí)現(xiàn)難度.調(diào)制器可以集成在激光器內(nèi)，也可以采用在激光器以外的外調(diào)制方法進(jìn)行.

3.2.2 探測(cè)器

光探測(cè)器有光子探測(cè)器和熱點(diǎn)探測(cè)器兩大類，激光雷達(dá)主要采用光子探測(cè)器類，此類可分為光電子發(fā)射型、光電子附特型、光電導(dǎo)型、光電磁型等.探測(cè)器的響應(yīng)頻率一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光頻率，因此，不采用光調(diào)制方法，而直接探測(cè)光信號(hào)的相干性來(lái)進(jìn)行速度和角度檢測(cè)的難度很大，基本難以實(shí)現(xiàn).在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)光信號(hào)的探測(cè)有直接探測(cè)式、外差探測(cè)式等，在這兩類方法中，由于難以直接探測(cè)激光信號(hào)頻率或相位，一般均采用探測(cè)激光平均功率的方法.

3.2.3 距離的測(cè)量

激光雷達(dá)對(duì)距離的測(cè)量一般有脈沖直接測(cè)量、(調(diào)制信號(hào))相位測(cè)量、相干測(cè)量等.脈沖直接測(cè)量與電波雷達(dá)(微波雷達(dá))的機(jī)理相同，通過(guò)測(cè)量光脈沖信號(hào)的路徑傳輸延遲時(shí)間確定相對(duì)距離，這是一種精度相對(duì)較低，但實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟的方法.相位測(cè)量需要對(duì)激光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，檢測(cè)調(diào)制后的相位延遲，相干測(cè)量則需要激光的光源單色性好、頻率穩(wěn)定，同時(shí)在本地應(yīng)產(chǎn)生本振激光信號(hào)，同樣需要較高的頻率純度和穩(wěn)定度.

3.2.4 速度的測(cè)量

速度信息可以通過(guò)直接距離微分法得到，這種方法得到的速度精度較差，通過(guò)數(shù)據(jù)的平滑可以提高精度，但會(huì)降低響應(yīng)頻帶.另外還可以通過(guò)激光外差多普勒測(cè)速、音頻測(cè)速等.音頻測(cè)速通過(guò)對(duì)激光信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制，可降低對(duì)于激光的光譜純度和穩(wěn)定度的要求.

3.2.5 角度測(cè)量

激光雷達(dá)的角度測(cè)量有四象限跟蹤測(cè)角和成像測(cè)角兩大類.由于激光波束的限制，一般激光雷達(dá)均需要伺服系統(tǒng)提供掃描功能.如圖2所示，四象限探測(cè)器由4個(gè)相同的探測(cè)器A、B、C、D組成，通過(guò)對(duì)4個(gè)探測(cè)器輸出進(jìn)行和差運(yùn)算，可以得到光斑能量中心與探測(cè)器的位置偏差.

圖2 四象限探測(cè)器

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)控制伺服機(jī)構(gòu)根據(jù) Δx、Δy、的計(jì)算結(jié)果，將Δx、Δy、控制到0，讀取伺服系統(tǒng)的讀數(shù)，可以得到指向角度.

成像測(cè)角時(shí)，激光雷達(dá)按照一定的規(guī)則控制激光在空間掃描，得到空間目標(biāo)的立體像，根據(jù)立體像中特征點(diǎn)的相對(duì)關(guān)系解算三維位置和角度.這種方法需要完成掃描后才能完成一次測(cè)量，故數(shù)據(jù)更新率(頻帶)較低，同時(shí)對(duì)存儲(chǔ)量、計(jì)算量的要求比較高，這種機(jī)理的激光雷達(dá)除了能夠滿足交會(huì)對(duì)接的要求以外，還可以用于立體成像、探測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域，目前德國(guó)耶拿公司的RVS具備此種能力.

3.3 視頻敏感器

視頻敏感器(VGS)用于交會(huì)對(duì)接的最后階段(平移靠攏段)，一般采用CCD或者 APS等光學(xué)成像芯片，在特定的譜段，通過(guò)精確設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)目標(biāo)飛行器上事先設(shè)計(jì)安裝的合作目標(biāo)成像，由高性能的計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理，得到3個(gè)位移、3個(gè)姿態(tài)角及其變化率，完成六自由度的靜動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量.

視頻敏感器需要處理圖像，因此其計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力較強(qiáng)，電子設(shè)計(jì)復(fù)雜，一般需要采用DSP、FPGA等超大規(guī)模集成電路完成，因此，在抗空間環(huán)境(電磁輻射、高能帶電粒子等)方面需要著重注意.

視頻敏感器由合作目標(biāo)、相機(jī)兩大部分組成，分別安裝于目標(biāo)飛行器和追蹤飛行器，合作目標(biāo)又分為主動(dòng)發(fā)光式和被動(dòng)反光式兩類.相機(jī)由光學(xué)系統(tǒng)(含濾光片)、CCD/APS感光部分、處理電路部分等組成(對(duì)于被動(dòng)反光式合作目標(biāo)，相機(jī)部分還需要配置主動(dòng)光源).

測(cè)量時(shí)，相機(jī)通過(guò)對(duì)目標(biāo)飛行器和合作目標(biāo)的成像，提取特征光點(diǎn)，解算六自由度的參數(shù).

4 交會(huì)對(duì)接敏感器設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1)工作譜段的選擇

由于太空陽(yáng)光的能量極強(qiáng)、譜段也很寬，為了減小和抑制陽(yáng)光(及反光)對(duì) CCD的影響，應(yīng)選擇相對(duì)較弱的太陽(yáng)光譜段作為工作譜段，并且采用窄帶濾光片，另外，從分系統(tǒng)的角度考慮，還應(yīng)該在激光雷達(dá)的工作譜段和視頻敏感器的工作譜段之間就出足夠的隔離帶寬，防止兩種敏感器的相互串?dāng)_和影響.

在確定工作譜段時(shí)，還需要考慮 CCD/APS等敏感器件的響應(yīng)特性，應(yīng)選擇在擬選擇的譜段有較好的響應(yīng)特性的敏感芯片.

(2)陽(yáng)光抑制能力

由于陽(yáng)光能量太強(qiáng)，陽(yáng)光進(jìn)入視頻敏感器時(shí)，視頻敏感器將失效，嚴(yán)重時(shí)陽(yáng)光還會(huì)對(duì) CCD/APS等敏感芯片造成損傷，這是交會(huì)敏感器對(duì)發(fā)射和對(duì)接窗口的約束之一，在設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)必須考慮.視頻敏感器一般都設(shè)計(jì)遮光罩(或者遮光筒)，加強(qiáng)視場(chǎng)外的對(duì)陽(yáng)光抑制能力.

(3)抗雜光影響

視頻敏感器進(jìn)入視場(chǎng)的空間背景成像，地球、星星、目標(biāo)飛行器等都會(huì)成像，另外，目標(biāo)飛行器上的表面、突出物、交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)表面可能會(huì)反射陽(yáng)光，這些都會(huì)造成提取光點(diǎn)的困難.因此，在分系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，一方面需要采取措施，優(yōu)化識(shí)別算法，另外一方面，要采取各種措施抑制雜光的形成，盡量給視頻敏感器形成一個(gè)較好的成像條件[2].

4.2 敏感器的基準(zhǔn)

對(duì)于交會(huì)敏感器，由于要測(cè)量的量包括位置和速度，而不是像以前的姿態(tài)敏感器主要完成指向測(cè)量，所以，除了方向基準(zhǔn)外，還需要設(shè)置位置基準(zhǔn).位置基準(zhǔn)一般采用刻線方式.為了便于計(jì)量，刻線一般實(shí)施在立方鏡上.

敏感器的基準(zhǔn)一般有機(jī)械基準(zhǔn)、指向基準(zhǔn)、位置基準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)、安裝基準(zhǔn)等，結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)用于安裝敏感器件，比如陀螺安裝支架、視頻敏感器的光學(xué)鏡頭等，安裝孔(基準(zhǔn))一般與結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)在一起，機(jī)械基準(zhǔn)一般為加工時(shí)特意控制的平面，一般有兩個(gè)正交面，用于工藝安裝、標(biāo)定時(shí)作為靠面使用，指向基準(zhǔn)和位置基準(zhǔn)主要是為了最后在飛行器上安裝時(shí)使用光學(xué)設(shè)備瞄準(zhǔn)使用的.

這些基準(zhǔn)之間有密切的關(guān)系.一般而言，這些基準(zhǔn)的關(guān)系是固定的，在制造和標(biāo)定時(shí)確定下來(lái)，后續(xù)的測(cè)試、標(biāo)定均在某個(gè)基準(zhǔn)上進(jìn)行.一般不允許這幾個(gè)基準(zhǔn)之間存在不確定性.由于安裝敏感器時(shí)主要依靠光學(xué)基準(zhǔn)，但安裝孔又建立在機(jī)械基準(zhǔn)上，所以光學(xué)基準(zhǔn)與機(jī)械基準(zhǔn)(安裝孔)之間的偏差應(yīng)控制在一定的誤差范圍內(nèi).對(duì)于交會(huì)敏感器，在安裝時(shí)需要同時(shí)滿足指向和位置要求，安裝調(diào)整難度更大，因此單機(jī)敏感器的這個(gè)誤差帶應(yīng)更小.

4.3 敏感器的標(biāo)定

在對(duì)敏感器進(jìn)行標(biāo)定之前，應(yīng)首先建立敏感器的誤差模型，通過(guò)標(biāo)定過(guò)程確定敏感器模型中的各個(gè)參數(shù)，以提高最終測(cè)量精度.

標(biāo)定一般分為內(nèi)標(biāo)定和外標(biāo)定.內(nèi)標(biāo)定是指在生產(chǎn)、制造過(guò)程中通過(guò)光學(xué)、機(jī)械、三坐標(biāo)等方法，對(duì)各敏感器中的光學(xué)、電子、機(jī)械等元件或者其相對(duì)關(guān)系進(jìn)行直接或者間接計(jì)量，建立相對(duì)關(guān)系，并將這些相對(duì)關(guān)系代入到測(cè)量計(jì)算公式中.外標(biāo)定一般指在單機(jī)外部通過(guò)光學(xué)、機(jī)械等方法，建立高精度(優(yōu)于敏感器的測(cè)量精度3～10倍)的相對(duì)位置和姿態(tài)，采集敏感器的輸出數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)學(xué)處理的方法，得到誤差模型中的各參數(shù).外標(biāo)定不同于測(cè)試，標(biāo)定完成后，必須另外設(shè)計(jì)測(cè)試用例，經(jīng)過(guò)誤差模型解算，得到敏感器的測(cè)量精度，并進(jìn)行評(píng)估.

5 敏感器的測(cè)試與驗(yàn)證

在地面對(duì)敏感器進(jìn)行充分的測(cè)試與驗(yàn)證非常重要，為了在軌能夠提供滿足精度的測(cè)量數(shù)據(jù)，地面的測(cè)試要充分考慮到在軌的實(shí)際應(yīng)用情況，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的測(cè)試用例驗(yàn)證敏感器的各項(xiàng)性能.另外，在分系統(tǒng)聯(lián)試、整星測(cè)試中，也要通過(guò)不同的方法，驗(yàn)證敏感器的工作性能.單機(jī)測(cè)試一般分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試.靜態(tài)測(cè)量精度指敏感器和合作目標(biāo)不存在相對(duì)的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，對(duì)敏感器進(jìn)行的精度測(cè)量，主要考核敏感器的靜態(tài)精度，通過(guò)敏感器的靜態(tài)精度測(cè)量，可以分析敏感器的均值、方差等數(shù)據(jù)，分離出敏感器的系統(tǒng)誤差、隨機(jī)噪聲，這是分析和提高敏感器精度的前提和基礎(chǔ)，進(jìn)而通過(guò)對(duì)測(cè)量結(jié)果的分析，還可以分離出測(cè)量設(shè)備誤差、敏感器標(biāo)定誤差，以及測(cè)量噪聲的特性等等，可以得出非常重要的敏感器的靜態(tài)誤差模型;動(dòng)態(tài)測(cè)量主要指給敏感器和合作目標(biāo)施加確定的各種運(yùn)動(dòng)，如正弦、直線、加/變速、指定軌跡等，考核敏感器的響應(yīng)頻帶、傳輸時(shí)間延遲等是否滿足要求.系統(tǒng)測(cè)試和整船測(cè)試受限于測(cè)試條件，主要檢查敏感器在分系統(tǒng)和整船條件下時(shí)序是否協(xié)調(diào)、接口是否匹配，另外，分系統(tǒng)聯(lián)試時(shí)，還需要檢查在模擬的飛行過(guò)程中敏感器與分系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性，包括精度、時(shí)序、接口等內(nèi)容，必要時(shí)還需要進(jìn)行考機(jī)試驗(yàn)，以檢查全系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)是否正常.

試驗(yàn)和研制過(guò)程表明，由于存在天地不一致的問(wèn)題，以及充分驗(yàn)證的困難，工程難度較大，因此，不斷提高敏感器的抗干擾能力對(duì)于完成任務(wù)至關(guān)重要.

6 結(jié) 論

本文從分系統(tǒng)層面，提出了對(duì)交會(huì)敏感器設(shè)計(jì)的部分要求，另外，通過(guò)介紹交會(huì)敏感器的工作體制，提出了在單機(jī)、分系統(tǒng)和整星應(yīng)該驗(yàn)證的相關(guān)內(nèi)容.試驗(yàn)和研制過(guò)程表明，由于存在天地不一致的問(wèn)題，以及充分驗(yàn)證的困難，工程難度較大，因此，不斷提高敏感器的抗干擾能力對(duì)于完成任務(wù)至關(guān)重要.

[1] 張淑琴.空間交會(huì)對(duì)接測(cè)量技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京:中國(guó)宇航出版社，2005

[2] Wigbert F.航天器自主交會(huì)對(duì)接技術(shù)[M].李東旭，譯.長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)出版社，2009

System Analysis for Rendezvous and Docking Sensor Design

LIBin，REN Kun
(Beijing Institute of Control Engineering， Beijing 100190， China)

Relative measurement is one of the most important techniques in rendezvous and docking for spacecrafts.To design the relativemeasurement instruments formeasuring the relative position， velocity，angle and angular rate between target and chaser spacecrafts.In rendezvous and docking engineering implementation，some problems such as light and temperature disturbance should be considered carefully.The article isn’t care for the detail technique used in the instrument design， but give some advice and requirements for these instrument design on the basis of GNC subsystem analysis and design.

relative measurement;rendezvous and docking sensor;GNC subsystem design

V448.2，TN379

A

1674-1579(2011)06-0034-06

DO I:10.3969/j.issn.1674-1579.2011.06.006

2011-08-20

李 彬(1968—)，女，黑龍江人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楹教炱骺刂葡到y(tǒng)總體設(shè)計(jì)與測(cè)試技術(shù)(e-mail:libin@bice.org.cn).